Mészáros Miklós Elektronikai áramkörök alapjai II. A követelménymodul megnevezése: Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása A követelménymodul száma: 097-06 A tartalomelem azonosító száma és célcsoportja: SzT-038-50
ELEKTRONIKAI ÁRAMKÖRÖK ALAPJAI II. ESETFELVETÉS MNKAHELYZET Új munkahelyének profilja: gyengeáramú analóg erősítők tervezése, méretezése és működtetése. A tényleges munkavégzés előtt részt kell vennie egy speciális szakmai tanfolyamon, amelynek belépési feltétele a bipoláris és unipoláris tranzisztorokkal felépített erősítőfokozatok munkapontbeállítási megoldásainak, váltakozóáramú jellemzőinek az ismerete. Az alábbiakban segítséget kaphat a méretezési alapok elsajátításához, felfrissítéséhez. Tanulmányozza az alábbi szakmai információkat, s oldja meg az önellenőrző feladatokat! SZAKMAI INFORMÁCIÓTARTALOM BEVEZETŐ A gyengeáramú analóg erősítők méretezéséhez elengedhetetlen az erősítők felépítésének, belső kapcsolatrendszerének a megismerése. Az elviekben elképzelt sztatikus üzemmód megismerése vezet a műszaki gyakorlat dinamikus üzemmódjának a tisztázásához. Egy erősítő fokozat működtetéséhez munkapont beállítás szükséges. Az elektronikai gyakorlatban a munkapont beállítást általában egy tápegységről biztosítják különböző értékű ellenállások beiktatásával. Az aktív elem/elemek paraméterei és a kapcsolódó ellenállások megszabják az erősítők váltakozóáramú jellemzőit. Az erősítő frekvenciaátvitelét csatoló-, hidegítő-, szerelési-, szórt- és réteg-kapacitások is befolyásolják. Az erősítők méretezése alapvetően munkapont beállítást és váltakozóáramú jellemzők meghatározását jelenti. A méretezést megkönnyíti az aktív elem, illetve a teljes erősítő négypólusos helyettesítő képének a felrajzolása. A méretezés végrehajtása után lehet az erősítő áramkört összeállítani és a gyakorlatban igen sokféle célra alkalmazni.
ERŐSÍTŐFOKOZATOK MNKAPONT BEÁLLÍTÁSA Az elektronika legalapvetőbb aktív elemei a bipoláris és a térvezérlésű tranzisztorok. A 3 kivezetéssel rendelkező eszközöket az erősítő alapkapcsolásokban az egyik elektróda bemenet - kimenet közötti közösítésével négypólusként kezeljük. A tranzisztorok felépítésének, működésének, tulajdonságainak és jelleggörbéinek ismeretében kimondható, hogy ezek az aktív alapelemek áramkörökben erősítőelemként és kapcsolóelemként egyaránt alkalmazhatók. Az aktív eszközök működtetésének, vezérlésének előfeltétele az egyenáramú feltételek biztosítása, azaz a munkapont beállítása. Munkapont: az eszköz egyenáramú üzemi körülményeit biztosító, összetartozó egyenáramegyenfeszültség értékek. Grafikusan: a jelleggörbéken összetartozó egyenáramegyenfeszültség értékpár által meghatározott pont. Munkapont beállítás: a működtetés, vezérlés alapfeltételeként az aktív eszköz bemeneti és kimeneti kapcsaira megfelelő egyenfeszültségek biztosítása. Vezérlés: az egyenfeszültségekkel beállított munkapontú aktív elem bemenetére működtető váltakozó jel kapcsolása. Vezérlés hatására a munkapont mozgást végez a jelleggörbén. Az. ábrán a tranzisztorok átviteli karakterisztikáin különböző munkapont beállítások tanulmányozhatók.. ábra. Működési tartományok és munkapontok a tranzisztorok transzfer karakterisztikáin A bipoláris és az unipoláris tranzisztor transzfer jelleggörbéje egyaránt két tartományra bontható: 2
Lineáris tartomány (I.) az aktív elem árama egyenesen arányos a vezérlő feszültség időbeni változásával. Az M munkapont környezetében az aktív elem lineárisan működik. Ebben a tartományban az aktív elem alakhű erősítésre alkalmazható. Nemlineáris tartomány (II.) az aktív elem árama nem egyenesen arányos a vezérlő feszültség időbeni változásával. Az M 2 munkapont környezetében az aktív elem nemlineárisan működik. Az ilyen elhelyezésű munkapontot leginkább kapcsolóeszközöknél használják ki. A 2. ábra bemutatja mindkét munkapont beállításnál egy bipoláris tranzisztor jelátvitelét. 2. ábra. Bipoláris tranzisztor vezérlése lineáris és nemlineáris üzemmódban Látható, hogy az M munkapont körüli szakaszon vezérelt erősítő lineárisan viszi át a jelet. Az M 2 munkapont alkalmazásánál a kimeneti jel eltorzul, a jelátvitel nemlineáris.. Sztatikus üzemmód Sztatikus üzemmódban a bemeneti vezérlés hatására csak az aktív eszköz kimeneti árama változik, a kimeneti feszültsége állandó marad. Ilyenkor az aktív elem kimeneti körében rövidzár van. Négy féle munkapont beállítás lehetséges, attól függően, hogy a munkapontot az aktív elem átviteli karakterisztikájának melyik részére állítjuk be: 3
"A" osztályú beállítás (M A ): munkapont elhelyezés a lineáris szakaszon, s vezérléskor a munkapont végig a lineáris szakaszon mozog. Az aktív elem a vezérlő jel mindkét félperiódusában lineárisan működik. "B" osztályú beállítás (M B ): munkapont elhelyezés a lezárási pontban, s vezérléskor a munkapont a jelleggörbe mindkét tartományába átkerül. Ilyenkor az aktív elem csak a vezérlő jel egyik félperiódusában működik erősítő elemként. "AB" osztályú beállítás (M AB ): munkapont elhelyezés az M A és M B közötti tartományban. Vezérléskor fél periódusidőnél hosszabb ideig folyik áram az aktív elemen. "C" osztályú beállítás (M C ): munkapont elhelyezés a karakterisztika zárási tartományában. Vezérléskor fél periódusidőnél rövidebb ideig folyik áram az aktív elemen. A 3. ábrán sztatikus üzemmódban látható egy bipoláris tranzisztor vezérléséhez összeállított áramköri megoldás, valamint a jellegzetes munkapont elhelyezések. FONTOS! A régebbi szabványok a tranzisztoroknál a körbe foglalt jelölést alkalmazták, de az MSZ EN 6067-x szabványnak a kör nélküli jelölések felelnek meg. A bipoláris és az unipoláris tranzisztorokat tartalmazó áramkörök kezelésénél ez a tananyagelem az aktív áramköri elem körbefoglalását alkalmazza. 3. ábra. Bipoláris tranzisztor vezérlése sztatikus üzemmódban A fenti áramkörben a munkapont beállításához meghatározott egyenfeszültségeket ( BEo, CE ) kell alkalmazni az aktív elem bemeneti és kimeneti körében. Az egyenfeszültségek szabják meg, hogy a tranzisztor milyen munkapontba kerül. Az vezérlő jelet az BEo munkaponti egyenfeszültségre kell ráültetni (szuperponálni). Az összetett bemeneti jel: 4
BE = BEo + vezérlő A legjobb kivezérelhetőség úgy érhető el, ha "A" osztályú munkapont beállítást alkalmazunk, s az M A munkapontot a jelleggörbe lineáris tartományának közepére választjuk. Ekkor is határt szab a maximálisan megengedett kollektor áram (I Cmax ). 2. Dinamikus üzemmód Dinamikus üzemmódban a bemeneti vezérlés hatására az aktív eszköz kimeneti feszültsége követi a bemeneti jel változását. Ilyenkor az aktív elem kimeneti körében egy munkaellenállás található. A 4. ábrán egy bipoláris tranzisztor dinamikus vezérléséhez összeállított áramkör elvi kapcsolása és a kimeneti karakterisztika munkaegyenese tanulmányozható. 4. ábra. Bipoláris tranzisztor vezérlése dinamikus üzemmódban Munkaegyenes: az aktív elem kimeneti karakterisztikáján a kimeneti körben mérhető feszültség és a kimeneti áram közötti lineáris kapcsolat grafikus megjelenítését szimbolizáló egyenes. Bipoláris tranzisztornál a kiinduló egyenlet: T = I C R C + CE A munkaegyenes meredekségét kizárólag a kimeneti körben elhelyezett ellenállás vagy ellenállások értéke befolyásolja. A munkaegyenesen bejelölt -es és 2-es pontok között található a tranzisztor normál működési tartománya. Munkaellenállás: dinamikus üzemmódban az aktív elem kimeneti körében elhelyezett ellenállás vagy ellenállások, melynek hatására vezérléskor a kimeneti feszültség változik. 5
Munkapontbeállítás: a műszaki gyakorlatban az erősítőfokozatok üzemi működésének feltételeként az aktív elem bemeneti és kimeneti kapcsaira előírt értékű egyenfeszültségek beállítása. Optimális munkapontbeállítás: egyetlen tápegységgel és különböző helyekre kapcsolt ellenállásokkal egyenfeszültségek biztosítása. Természetesen az ellenállások az erősítők jellemzőit is befolyásolják. Az 5. és 6. ábrán egy NPN típusú bipoláris tranzisztor és egy N csatornás jfet tranzisztornál alkalmazott munkapontbeállítási megoldásokat láthatunk. 5. ábra. Bipoláris tranzisztor munkapontjának beállítása A bipoláris tranzisztoros kapcsolási rajzokon a munkaponti adatok a következők: BEo, CEo, I Bo, I Co, I Eo. A munkaponti adatok közül az BEo értéke germánium alapanyag esetén 0,2-0,3V, szilícium tranzisztoroknál 0,6-0,7 V. 6
6. ábra. Térvezérlésű tranzisztor munkapontjának beállítása A térvezérlésű tranzisztoros kapcsolási rajzokon a munkaponti adatok a következők: GSo, DSo, I Do. A P csatornás bipoláris tranzisztornál és a MOSFET típusú tranzisztoroknál a munkapontbeállítás hasonló elveken alapszik. A munkapont-beállító ellenállások méretezése a munkaponti adatok ismeretében az Ohm- és Kirchhoff törvények segítségével történik. Nézzünk néhány egyszerű méretezési mintapéldát!. mintapélda Méretezzük az 5. ábrán látható, bázis-ellenállásos, közös emitteres erősítő munkapontbeállító elemeit (R C, R E, R B )! Munkaponti adatok: T = 5 V BE0 = 0,6 V I C0 = 6 ma I B0 = 50 μa CE0 = 5,2 V RE = 2 V Megoldás: 7
A kapcsolási rajz segítségével, az Ohm- és a Kirchhoff-törvények alkalmazásával felírjuk a meghatározandó ellenállásokon eső egyenfeszültséget és elosztjuk az ellenállásokon átfolyó egyenárammal. R C T CEO I C0 RE 5V 5,2 V 6 ma 2V,3 k R R B E T C0 BE0 I R E I I B0 B0 RE 5 V 0,6 V 2 V 250 k 50 A 2 V 330 6 ma 50 A (Amennyiben a kiszámított ellenállás értékekhez a műszaki gyakorlatban nem tartoznak ellenállások, akkor az elméleti eredményekhez legközelebb eső szabványos értékű ellenállásokat kell választani.) 2. mintafeladat Méretezzük a 6. ábrán látható, source-ellenállásos, source kapcsolású jfet-es erősítő munkapont-beállító elemeit (R S, R D )! Munkaponti adatok: T = 5 V I D0 = ma GS0 = -2,5 V DS0 = 6,5 V A kapcsolásban feltüntetett R ellenállás a munkapont beállításban nem játszik szerepet. Megoldás: A kapcsolási rajz segítségével itt is az Ohm- és a Kirchhoff-törvények alkalmazása történik. R S I GS0 2,5 V 2,5 k ma D0 Magyarázat: vezérlés nélkül az R ellenálláson nem folyik áram, így nem esik rajta feszültség, ezért az R S ellenálláson a hurok törvény szerint 2,5 V feszültségnek kell esnie. R D I R D D0 6V 6 k ma Magyarázat: a kimeneti oldalra felírt huroktörvény segítségével kifejezhető az R D ellenállásra jutó egyenfeszültség: 8
T R D R D T R S DS 0 DS 0 R S 5V 6,5V 2,5V 6V ERŐSÍTŐK AKTÍV ALAPELEMEINEK HELYETTESÍTŐ KÉPEI Az erősítők aktív diszkrét elemeinek tekintjük a bipoláris és az unipoláris tranzisztorokat. Mindkét aktív elem 3 kivezetéssel rendelkezik, de erősítő alapkapcsolásokban az egyik elektródát a bemenet-kimenet szempontjából közösnek tekintjük, s így a tranzisztorok aktív lineáris négypólusként kezelhetők. Az ilyen típusú négypólusokhoz az elektronikai méretezés helyettesítő képeket rendel. Helyettesítő kép: az elektronikai eszköz jellemzését segítő, elektronikai számítások szempontjából egyenértékű, hagyományos alapelemekből felépített áramkör. Az ilyen kapcsolás elektronikai szempontból ugyanúgy viselkedik, mint az eredeti elektronikai eszköz. Az erősítőelemek helyettesítő képe feszültség- és/vagy áramgenerátorokból, valamint passzív elemekből felépített lineáris négypólus. A helyettesítő képek alkalmazása szemléletessé és átláthatóbbá teszi az erősítők működését, méretezését. Az aktív elemek négypólusos helyettesítő képeinél a hibrid (h), az inverz hibrid (d), vagy az admittancia (y) paramétereket alkalmazzák. Hibrid (vegyes, h) paraméterű egyenletrendszer: u i 2 h h i 2 i h 2 h Inverz hibrid (fordított vegyes, d) paraméterű egyenletrendszer: u 22 2 u i d u d i 2 2 u d u d i 2 2 22 2 Admittancia (vezetőképesség, y) paraméteres egyenletrendszer: i y u y u 2 2 i y u y u 2 2 22 2. Bipoláris tranzisztorok helyettesítő képe Kisfrekvenciás működtetésnél a bipoláris tranzisztorokhoz leggyakrabban a hibrid (h) paramétereket használják. Nagyfrekvencián az admittancia (y) paramétereket alkalmazzák. 2 A 7. és 8. ábrán az NPN típusú, bipoláris tranzisztorok helyettesítő képei láthatók. 9
7. ábra. Bipoláris tranzisztor kisfrekvenciás, hibrid paraméteres helyettesítő képe 8. ábra. Bipoláris tranzisztor nagyfrekvenciás, admittancia paraméteres helyettesítő képe A bipoláris tranzisztoroknál megfigyelhető, hogy db áramgenerátorral és 2 db ellenállással megalkotható a helyettesítő kép. Természetesen a PNP tranzisztorokhoz, illetve azok közös kollektorú és közös bázisú alkalmazásaihoz hasonló elvű helyettesítő képek készíthetők.. nipoláris tranzisztorok helyettesítő képei A térvezérlésű tranzisztorokhoz méréstechnikai szempontok szerint az admittancia (y), vagy az inverz hibrid (d) paramétereket alkalmazzák. A 9. és 0. ábrán N csatornás, source kapcsolású jfet tranzisztorok helyettesítő képei tanulmányozhatók. 9. ábra. jfet tranzisztor admittancia paraméteres helyettesítő képe 0
0. ábra. jfet tranzisztor inverz hibrid paraméteres helyettesítő képe Az unipoláris tranzisztorok helyettesítő képein megfigyelhető, hogy a bemeneti áramuk elhanyagolható, így bemenetük szakadásnak tekinthető. A helyettesítő kép db feszültség- vagy áramgenerátorból, db ellenállásból és egy db szakadás jelképből összerakható. Természetesen a P csatornás jfet-ekhez vagy a MOSFET-ekhez, illetve azok drain és gate kapcsolásaihoz hasonló elvű helyettesítő képek készíthetők. Az eddigiekben körbejártuk a bipoláris és az unipoláris tranzisztorok négypólusos helyettesítő képeit. Az elsajátított ismeretek birtokában elkészíthető bármely erősítő alapkapcsolás váltakozóáramú helyettesítő képe. Gyakorlati példaként a. ábrán vizsgáljuk meg egy közös emitteres bázisosztós alapkapcsolás hibrid paraméteres helyettesítő képét!. ábra. Közös emitteres alapkapcsolás és hibrid paraméteres helyettesítő képe A. ábra NPN tranzisztoros, emitter kapcsolású erősítőjét feszültséggenerátor (u g, R g ) vezérli, s a kimenetét terhelő ellenállás (R t ) zárja. Az ábrán elkülönítve felismerhető a tranzisztor hibrid paraméteres helyettesítő képe. A bázisosztó (R, R 2 ) és a munkaellenállás (R c ) elhelyezkedését a helyettesítő képen magyarázza, hogy az T feszültségű tápegység váltakozó áram szempontjából rövidzárnak tekinthető. A kondenzátorok (C be, C ki, C E ) váltakozó áramon a helyettesítő képen szintén rövidzárként szerepelnek. Az emitter kondenzátor a helyettesítésnél az emitter ellenállát is rövidre zárja.
Természetesen hasonlóan helyettesíthető a többi bipoláris tranzisztoros alapkapcsolás, s ugyanilyen módszerrel megalkothatók a térvezérlésű tranzisztoros alapkapcsolások helyettesítő képei. Az erősítők váltakozó áramú jellemzőit a kapcsolási rajzuk és helyettesítő képeik segítségével lehet legszemléletesebben értelmezni. ERŐSÍTŐK JELLEMZŐI Erősítő: elektronikus áramkör, aktív négypólus, amely a bemenetére vezetett elektromos jelből a kimenetén megegyező hullámformájú, de tetszőlegesen nagyobb értékű elektromos jelet szolgáltat. A kapcsoláshoz alkalmazott tápegység energiája fedezi a nagyobb értékű jel teljesítménynövekedését. Erősítés: vezérelt teljesítmény-átalakítás. A 2. ábrán egy erősítő általános, tömbvázlatos jelölése látható. Az erősítő bemenetén egy u g feszültségű, Rg belső ellenállású generátor biztosítja az u be bemeneti feszültséget és i be bemeneti áramot. A kimeneten R t terhelő ellenálláson jön létre az u ki kimeneti feszültség és az i ki kimeneti áram. 2. ábra. Erősítő tömbvázlatos jelölése A tömbvázlatos jelölésen feltüntetett háromszög jelképezi az erősítés irányát. Az erősítések megvalósításához aktív elem(ek) (bipoláris és/vagy unipoláris tranzisztorok) szükségesek. Az erősítő kapcsolásokban a munkapont beállítására ellenállások kellenek, melyek befolyásolják az erősítő jellemzőit is. A gyakorlati áramkörökben a megfelelő működést kondenzátorok is biztosítják. Az erősítőket különböző szempontok szerint osztályozhatjuk. A különböző erősítőfajtákat, s azok rövid ismertetőjét - a teljesség igénye nélkül - a 3. ábra tartalmazza. 2
3. ábra. Az erősítők csoportosítása Az erősítők legfontosabb jellemzői az alábbi csoportokba sorolhatók: - Erősítések - Bemeneti és kimeneti ellenállás - Egyéb erősítő jellemzők. Erősítések Az erősítő kapcsolásoknál értelmezett erősítések: feszültségerősítés, áramerősítés, teljesítményerősítés. Az erősítések kifejezhetők viszonyszámban és logaritmikusan, decibelben is. Az alábbi összefüggéseket elsősorban a méréses meghatározásokhoz alkalmazzák. Feszültségerősítés: nagysága a kimeneti és a bemeneti feszültség csúcsértékének vagy effektív értékének hányadosa. A u ki csúcs be csúcs ki eff a 20 lg A db be eff u u Áramerősítés: nagysága a kimeneti és a bemeneti áram csúcsértékének vagy effektív értékének hányadosa. 3
A i Iki csúcs Iki eff I I a A db i 20 lg i be csúcs be eff Teljesítményerősítés: nagysága a kimeneti és a bemeneti teljesítmény csúcsértékének vagy effektív értékének hányadosa. A P P ki csúcs ki eff p Au Ai a Pbe csúcs P p 0 lg Ap db be eff Szinuszos vezérlés esetén a csúcsérték és az effektív érték közötti kapcsolat: csúcsérték effektív érték 2 Fontos: az erősítések a valóságban precízen csak komplex számokkal értelmezhetők, mert bemeneti és kimeneti jelei ritkán azonos fázisúak. A fenti összefüggések a fázisszöget nem veszik figyelembe. 2. Bemeneti és kimeneti ellenállás Az erősítők bemeneti és kimeneti ellenállásait az Ohm törvény alkalmazásával írhatjuk fel. Az összefüggésekben a csúcsértékekkel vagy az effektív értékekkel számolunk. Az alábbi képleteket elsősorban a méréses meghatározásnál alkalmazzák. Bemeneti ellenállás: nagyságát az erősítő bemeneti feszültségének ( be ) és bemeneti áramának (I be ) hányadosa határozza meg. r be I be csúcs be csúcs I be eff be eff Kimeneti ellenállás: nagyságát az erősítő terhelés nélküli, üresjárati kimeneti feszültségének ( kiü ) és kimeneti rövidzárási áramának (I kir ) hányadosa határozza meg. r ki I ki ücsúcs kir csúcs I ki ü eff kir eff 4
4. ábra. Az erősítő felépítése a bemenet és a kimenet szempontjából A 4. ábrán megfigyelhető, hogy az erősítő bemeneti részét a bemeneti ellenállás képviseli, amely terheli a vezérlő generátort. Az erősítő kimeneti oldala generátorként fogható fel, amelyet a terhelő ellenállás terhel. Elméleti méretezéseknél a pontos összefüggéseket az erősítő teljes helyettesítő képe alapján lehet felírni. 3. Egyéb erősítő jellemzők Az erősítők gyakorlati alkalmazása egyéb jellemzők ismeretét is megköveteli. Ezek közül a legfontosabbak a következők: frekvenciamenet, határfrekvenciák, sávszélesség, zajtényező, torzítási tényezők. Frekvenciamenet: az erősítő frekvencia-átvitelére jellemző diagram, amely a feszültségerősítés frekvenciafüggését szemlélteti. Határfrekvenciák (f a, f f ): azon két frekvencia, amelyeknél az erősítő feszültségerősítése a közepes frekvencián (f k ) mért erősítés 70,7 %-a, illetve az erősítés 3 db-lel kisebb, mint a közepes frekvencián mért erősítés db-ben. A két határfrekvencia: f a alsó-, f f felső határfrekvencia. A műszaki gyakorlatban az erősítők alsó határfrekvenciáját leginkább a "látható" csatoló kondenzátorok kapacitásai (C be, C ki ) okozzák. A 3 db-es erősítéscsökkenésből matematikailag az alábbi összefüggések vezethetők le: X C be r be R g C be a 2 f r be R g X C ki C 2 rki R ki t fa rki Rt A felső határfrekvenciát döntően a "láthatatlan" szórt-, szerelési- és rétegkapacitások okozzák. 5
Sávszélesség (B): az alsó- és a felső határfrekvenciák közötti frekvenciatartomány. B f f f a A 5. ábra szemlélteti egy szélessávú erősítő frekvenciamenetét, sávszélességét, alsó- és felső határfrekvenciáját. 5. ábra. Egy szélessávú erősítő frekvenciamenete A 5. ábrán megfigyelhető egy gyakorlati szélessávú erősítő frekvenciafüggése, határfrekvenciái, közepes frekvenciája és sávszélessége. A műszaki gyakorlatban alkalmazott erősítőkkel szemben elvárás, hogy a működési tartományban a bemeneti és kimeneti jel alakja ne térjen el egymástól. A valóságban fellépő zajok, zavarok torzításokat okoznak a felerősített jel alakjában. A továbbiakban megvizsgáljuk a zajok és torzítások erősítőkre gyakorolt hatásait, a zajok és torzítások legfontosabb jellemzőit. Jel: a hasznos információt tartalmazó feszültség vagy áram meghatározott időfüggvény szerinti változása. Zaj: zavaró jelek összessége, melynek időfüggvénye szabálytalan, s hasznos információt nem tartalmaz. 6
Az erősítőkben keletkező zajokat döntő mértékben a töltéshordozók rendezetlen mozgása okozza. Az ilyen zajok fellépnek az erősítő ohmos jellegű ellenállásaiban és aktív eszközeiben egyaránt. Fajtái: Termikus zaj: a töltéshordozók rendezetlen hőmozgása miatt fellépő zaj. Értékét átlagos zajteljesítményként, zajfeszültségként vagy zajáramként adják meg. Sörétzaj: félvezetőkben a töltéshordozók PN átmeneten történő áthaladásánál keletkezik. Kisfrekvencián főleg a Zener diódáknál jelentős. Villódzási zaj (flicker-zaj): aktív és passzív áramköri elemeken a gyártástechnológia következtében fellépő zaj. Kisfrekvencián leginkább a MOSFET-eknél veszélyes. Jel/zaj viszony: a jelteljesítmény és a zajteljesítmény hányadosa db-ben kifejezve. Az erősítő zajosságának egyik számszerű jellemzője. (Angol rövidítéssel: SNR vagy S/N Signal to Noise Ratio.) P P jel zaj db P 0lg P jel zaj db A képletben: P jel jelteljesítmény, P zaj zajteljesítmény Zajtényező: az erősítő bemenetére és kimenetére vonatkoztatott jel/zaj viszonyok hányadosa db-ben kifejezve. F P P P jel be A db zaj be zaj ki 0lg 0lg db P jel ki zaj ki p P P zaj be A képletben: A P az erősítő teljesítményerősítése Zajszint: a hangosság érzékeléséhez tartozó jellemző, amely a mért zajteljesítmény és a hallásküszöb hangintenzitásához tartozó zajteljesítmény hányadosa db-ben kifejezve. d P db zaj 0 lg db P zaj 0 A képletben viszonyítási alapként a P zaj0 a hallásküszöb hangintenzitásához ( khz-nél 0-2 W/m 2 ) tartozó zajteljesítmény szerepel. Érdekesség: a zajszint emberi szervezetre gyakorolt hatása a hangosság függvényében a következő: 7
- 30 db zajszint pszichés, - 65 db zajszint vegetatív, - 90 db zajszint hallószervi, - 20 db zajszint fájdalomküszöb, - 20-30 db zajszint maradandó halláskárosodás, - 60 db zajszint dobhártyarepedés, - 75 db zajszint halálos következményű. Torzítás: erősítőkben fellépő jelenség, melynek hatására a vezérlő analóg jel időfüggvényének tulajdonságai a kimenetre érve nem kívánt módon megváltoznak. Másként fogalmazva: a jel spektrumában található különböző frekvenciájú összetevők erősítéskor módosulnak. A torzulások mértékét a vezérlő analóg jel frekvenciája és amplitúdója befolyásolja. Lineáris torzítások: az erősítő a különböző frekvenciájú jeleket nem egyforma mértékben erősíti (frekvenciatorzítás), illetve módosítja a jel komponenseinek egymáshoz viszonyított fázishelyzetét (fázistorzítás). A lineáris torzításokat az erősítő frekvenciafüggő lineáris karakterisztikájú elemei (L, C) okozzák. Nemlineáris torzítások: az erősítő a különböző amplitúdójú jeleket nem egyforma mértékben erősíti. Az erősítő kimenetén nem kívánatos jelösszetevők jelennek meg. Harmonikus torzítás: a kimeneten megjelenő jelösszetevők frekvenciái a bemeneti jelösszetevők frekvenciájának (alapharmonikus) egész számú többszörösei (felharmonikusok). Modulációs torzítás: a kimeneten megjelenő jelösszetevők frekvenciái a bemeneti jelösszetevők frekvenciáinak összegei és különbségei. A nemlineáris torzításokat az erősítő nemlineáris karakterisztikájú elemei (félvezető eszközök) okozzák. Harmonikus torzítási tényező: az összegzett felharmonikusok effektív értékének és a teljes jel effektív értékének az aránya % -ban kifejezve. k h 2 2 2 2 2 2 3... 2 3 2 n... az alapharmonikus jel feszültségének effektív értéke 2 n 2, 3, n a felharmonikus jelek feszültségeinek effektív értéke 4. Erősítők méretezése Az erősítő fokozatok méretezése a műszaki gyakorlatban leegyszerűsítve 3 fő lépésből áll. A méretezés lépései:. lépés: az áramkör felépítésének megtervezése, az áramkör megrajzolása 2. lépés: munkapont beállítás 8
3. lépés: váltakozó áramú erősítő paraméterek meghatározása Az eddig tárgyaltak alapján tegyünk kísérletet egy kiválasztott erősítő alapkapcsolás méretezésére! MÉRETEZÉSI FELADAT Végezzük el a 6. ábrán látható source kapcsolású unipoláris tranzisztoros erősítő méretezését! Munkaponti adatok: GS0 = -2 V DS0 = 8 V I D0 =,4 ma jfet paraméterek: y 2 = 0 ms y 22 = 25 µs Egyéb adatok: T = 24 V R G = 200 kω R t = 5 kω Feladatok: u g = 25 mv a) Határozzuk meg R S és R D értékét! R g = 25 kω b) Határozzuk meg a fokozat bemeneti és kimeneti ellenállását! c) Határozzuk meg a terhelt erősítő feszültségerősítését! d) Határozzuk meg a terhelt erősítő kimeneti feszültségét! e) Határozzuk meg C ki értékét úgy, hogy a kapcsolás alsó határfrekvenciája f a =5 Hz legyen! (A többi kapacitás nem szól bele az átvitelbe.) 6. ábra. Source kapcsolású unipoláris tranzisztoros erősítő Megoldás: 9
a) Az áramkörön bejelölt egyenfeszültségek és egyenáramok figyelembevételével az összefüggések felírásához az elektrotechnika Ohm- és Kirchhoff törvényeit alkalmazzuk. (A kapcsolás bemenetén az I G gate áram elhanyagolható.) GS 0 RS GS0 2 V RS, 43 k I,4 ma R D D0 T DS0 I D0 R S 24 V 8 V 2V,4 ma 0 k b) Az erősítő bemeneti és kimeneti ellenállását a kapcsolás y paraméteres helyettesítő képéből lehet legegyszerűbben meghatározni. A helyettesítő kép a 7. ábrán látható. 7. ábra. A source kapcsolású erősítő y paraméteres helyettesítő képe Ha a bemenet felől, illetve a kimenet felől betekintünk a helyettesítő négypólusba, könnyedén felírhatjuk a bemeneti és a kimeneti ellenállás összefüggését, majd behelyettesítés után meghatározhatjuk az értékeket. rbe RG 200 k rki RD 0 k 8 y 25 S 22 k c) A feszültségerősítés meghatározásához egy rövid levezetés után eljuthatunk. u u y u A ki ut ki 2s be u D t be y22s R R 20
A ut y2 ( Rki Rt ) 0 ms (8 k5k) 52, A végeredményből látható, hogy az erősítő fázist fordít. d) A kimeneti feszültség meghatározásához először fel kell írni a vezérlő generátorból az erősítő bemenetére jutó váltakozó feszültséget, majd a feszültségerősítés segítségével kimeneti feszültséggé alakítva határozhatjuk meg a pontos értéket. u u RG R R 200 k 25 mv be g 22, 22 G g 200 k 25 k ukit Aut ube 52, 22,22mV, 6V e) A megadott paraméterek szerint az erősítő alsó határfrekvenciáját csak a C ki kimeneti kapacitás okozza. Az erősítő helyettesítő képének kimeneti körében (ld. 8. ábra!), a határfrekvencia definíciójából adódó egyenlőségből a határfrekvencia kiszámításához juthatunk. mv 8. ábra. Az erősítő kimeneti körének kisfrekvenciás helyettesítő képe A feszültségosztás törvényét alkalmazva levezetéssel bizonyítható, hogy a határfrekvencián bekövetkező 3 db-es erősítés szintcsökkenésnél a csatoló kondenzátor reaktanciája értékre megegyezik a körülötte elhelyezkedő ellenállások eredőjével. RD Rt rki Rt y X C ki 22 2 fa Cki C ki nf 2 f 462 X C ki a rki Rt 4 4 2 5 Hz 0,8 0,5 0 2
Összefoglalás Az esetfelvetés kapcsán kiderült, hogy leendő munkahelye a közeljövőben új szakmai profilra fog átállni. Az új feladatok között gyengeáramú analóg erősítők tervezése és méretezése szerepel. A munkába állás előtt egy speciális szakmai tanfolyamon vesz részt, melynek belépési feltétele a bipoláris és unipoláris tranzisztorokkal felépített erősítőfokozatok munkapontbeállítási megoldásainak, váltakozóáramú jellemzőinek az ismerete. Jelen tananyagrésztől segítséget kaphatott a méretezési alapok elsajátításához, felfrissítéséhez. Az információfrissítés rövid bevezetővel kezdődött, melyben tájékozódhatott a szakmai információtartalomra vonatkozó tudnivalókról. A gyengeáramú analóg erősítők méretezéséhez szilárd alapokat nyújtott az erősítők felépítésének, belső kapcsolatrendszerének a megismerése. Ehhez meg kellett vizsgálni az elviekben létező sztatikus működési üzemmódot, ahonnan egyenes út vezetett az elektronikai gyakorlat dinamikus üzemmódjának a tisztázásához. Egy erősítő fokozat működtetése előtt biztosítani kellett a munkapont beállítást, amely lényegében az erősítő egyenáramú méretezését jelentette. Tisztázódtak a különböző osztályokba sorolt munkapontbeállítási megoldások előnyei és hátrányai. Kapcsolási rajzok bizonyították, hogy a munkapontbeállítás megvalósítható egy tápegység és az aktív elemhez csatlakozó, különböző értékű ellenállások beiktatásával. Az aktív elem/elemek és a kapcsolódó ellenállások meghatározták az erősítők váltakozóáramú jellemzőit. Külön kategóriába kerültek az erősítés fajták, a be- és kimeneti ellenállások és az erősítő egyéb jellemzői. Egy erősítő fokozat frekvencia-átvitelének tárgyalásánál tisztázódott, hogy csatoló-, hidegítő-, szerelési-, szórt- és réteg-kapacitások is befolyásolják a működést. Az erősítők méretezése alapvetően munkapont beállítást és váltakozóáramú jellemzők meghatározását jelentette. A méretezést megkönnyítette az aktív elem, illetve a teljes erősítő négypólusos helyettesítő képének a felrajzolása. Mindezt külön-külön meg kellett vizsgálni a bipoláris és az unipoláris tranzisztorral felépített erősítőknél. Egy összefoglaló táblázatból kiderült, hogy a műszaki gyakorlatban igen sokféle erősítő elnevezéssel találkozhatunk. A méretezés gyakorlati megvalósítását mintafeladatok és mértezési feladat zárta. A méretezés lépéseinek elméleti tisztázása, majd végrehajtása után elegendő információ gyűlhetett össze az erősítő áramkörök megtervezéséhez, összeállításához és a gyakorlati alkalmazásaihoz. 22
TANLÁSIRÁNYÍTÓ Az elektronikai áramkörök alapjait tárgyaló témakörhöz tartozó ismeretek alkalmazásához az írott szakmai szöveg megértése, a különböző készségek fejlesztése szükséges. Az elsajátított információk gyakorlati alkalmazásához elengedhetetlen a gyakorlatias feladatértelmezés módszer kompetencia fejlesztése. A szakmai szöveg alapos tanulmányozása és feldolgozása után célszerű az alábbi gyakorló feladatok megoldása.. feladat: Egyszerű kapcsolási rajzok elkészítésével mutassa be az erősítők sztatikus és dinamikus üzemmódja közötti különbségeket! 2. feladat: Rajzolja fel egy térvezérlésű tranzisztor transzfer karakterisztikáját, s jelöljön meg rajta egy M és M 2 munkapontot! Az M munkapont a lineáris, az M 2 munkapont a nemlineáris működési tartományban helyezkedjék el. 3. feladat: Készítse el egy közös emitteres erősítőfokozat kapcsolási rajzát és hibrid paraméteres helyettesítő képét! Az áramkörhöz alkalmazzon 4 db ellenállást, 3 db kondenzátort, db tápegységet, vezérlő generátort és terhelő ellenállást! 4. feladat: Készítse el egy source kapcsolású JFET-es erősítőfokozat kapcsolási rajzát és admittancia paraméteres helyettesítő képét! Az áramkörhöz alkalmazzon 3 db ellenállást, 3 db kondenzátort, db tápegységet, vezérlő generátort és terhelő ellenállást! 5. feladat: A 3. és 4. feladathoz elkészített kapcsolási rajzokon tüntesse fel az aktív elemhez tartozó munkaponti feszültségeket és áramokat! Írja fel a munkaponti adatok kiszámítására szolgáló matematikai összefüggéseket! 6. feladat: Írja le az alábbi elektronikai alapfogalmak jelentését! - "B" osztályú munkapontbeállítás - hibrid paraméteres egyenletrendszer - erősítő frekvenciamenete 7. feladat: Sorolja fel az erősítő fokozatok váltakozóáramú jellemzőit! Írja fel a jellemzőkhöz tartozó matematikai összefüggéseket! 8. feladat: Határozza meg db-ben az alábbi, viszonyszámban megadott erősítés értékeket! - A u = -50 - A i = 36,5 - A P = 450 9. feladat: Határozza meg viszonyszámban az alábbi, db-ben megadott erősítés értékeket! 23
- A u = 45 db - A i = 32 db - A P = 70 db 24
ÖNELLENŐRZŐ FELADATOK. feladat Számítással határozza meg az alábbi, közös emitteres, bázisáram táplálású erősítő munkapont beállító ellenállásait! Adatok: 9. ábra T = 0 V I C0 = 25 ma E0 = 2 V CE0 = 3V B = 200 BE0 = 0,6 V 25
Feladatok: a) Jelölje be a kapcsolási rajzon a munkapont beállító ellenállások meghatározásához szükséges egyenáramokat és egyenfeszültségeket! b) Határozza meg a munkapont beállító ellenállások (R C, R E, R B ) számszerű értékét! R C = R E = R B = 2. feladat Méretezze az alábbi Source kapcsolású erősítő fokozatot! 26
Adatok: T = 2 V R G = M y 2s = 2,5 ms, g = 50 mv, Feladatok: R t = 20 k R D = 4 k y 22s = 25 S R g = 50 k 20. ábra a) Készítse el a méretezés előtt álló áramkör admittancia paraméteres helyettesítő képét! 27
b) Határozza meg db-ben az erősítő feszültségerősítését terhelő ellenállás nélkül és terheléssel! A u = a u = A ut = a ut = c) Számítsa ki az erősítő fokozat bemeneti és kimeneti ellenállását! R be = R k i= d) Határozza meg a terhelt erősítő fokozat kimenetén megjelenő feszültség értékét! kit = 28
3. feladat Méretezze egy RC csatolású erősítő alapkapcsolás csatoló kondenzátorait! Adatok: r be = M bemeneti ellenállás r ki = 4 k kimeneti ellenállás R g = 0 k R t = 20 k f a = 0Hz f a2 = 40 Hz Feladatok: vezérlő generátor belső ellenállása terhelő ellenállás a bemeneti kör alsó határfrekvenciája a kimeneti kör alsó határfrekvenciája a) Készítse el az erősítő bemenetéhez tartozó helyettesítő áramkört, és az alapján számítsa ki a bemeneti csatoló kondenzátor kapacitását! C be = b) Készítse el az erősítő kimenetéhez tartozó helyettesítő áramkört, és az alapján számítsa ki a kimeneti csatoló kondenzátor kapacitását! C ki = 29
30
MEGOLDÁSOK. feladat a) A munkaponti egyenáramok és egyenfeszültségek feltüntetése a kapcsolási rajzon. 2. ábra b) A munkapont beállító ellenállások számszerűsített meghatározása. Az ellenállások kiszámításához a kapcsolási rajz segítségével, az Ohm- és a Kirchhofftörvények alkalmazásával lehet eljutni. T CE 0 R C 0 R E 0 3
R E 0 E 0 2 V R T CE0 C 0 R E 0 0V 2V 3V 5V R I C B0 R I I B C0 C0 IE0 IC0 IB0 R E I 5V 25mA C 0 E 0 E 0 25mA 200 200Ω 25μA 25 ma25μa 25,25mA 2V 80 Ω 25,25mA R T B0 T BE 0 E0 R B B I 2. feladat R B B 0 7,4V 60Ω 25μA a) Az erősítő fokozat helyettesítő képe: 0V 0,6 V 2V 7,4 V 22. ábra b) A feszültségerősítés terhelés nélkül és terheléssel: A u 2,5 ms 4 k 2,5 ms3,63 k 9,09 0,025 ms 32
au 20 lg Au 20 lg 9,09 9, 7 db A ut 2,5 ms 4 k 20 k 2,5 ms3,08 k 7,69 0,025 ms aut 20 lg Au 20 lg 7,69 7, 72 db c) Az erősítő bemeneti és kimeneti ellenállása a helyettesítő kép alapján: r be r ki R G y M 22s R D = 4 k 3,63 k 0,025 ms d) A terhelt erősítő kimeneti feszültsége: u u kit be u u be g 3. feladat A R G ut = 47,62 mv 9,09 433 mv RG R g M 50 mv 47,62 mv M 50 k a) Az erősítő bemeneti áramköre és a bemeneti csatoló kondenzátor kapacitása: 23. ábra 33
XC be r be R g X C be 2 f a C be C rbe Rg 6 4 2 0 Hz 0 0 be 5, 2 f 7 a a) Az erősítő kimeneti áramköre és a kimeneti csatoló kondenzátor kapacitása: X C ki X C ki C r ki R 2 f t a2 C ki 24. ábra ki 65, 2 f 8 a2 nf rki Rt 3 3 2 40 Hz 4 0 20 0 nf 34
IRODALOMJEGYZÉK FELHASZNÁLT IRODALOM Kovács Csongor: Elektronikus áramkörök tankönyv, Generál Press Kiadó, 2005. Gergely István: Elektrotechnika, General Press Kiadó, 2009. Zombori Béla: Elektronika, Tankönyvmester Kiadó, 2006. Zombori Béla: Elektronikai feladatgyűjtemény, Tankönyvmester Kiadó, 2008. Kóródi Dávid Tóth S. Róbert: Villamosságtani alapismeretek, NSZFI Tankönyvkiadó, 2005. Horváth Ernő: Elektronika feladatgyűjtemény I., Terra Print Kiadó, 994. Szűcs Lászlóné: Elektronikai példatár, Lexika Tankönyvkiadó, 997. AJÁNLOTT IRODALOM. Tietze Ch. Scenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 990. Mihály László: Elektronikai tesztgyűjtemény, Tankönyvmester Kiadó, 2006. 35
A(z) 097-06 modul 038-as szakmai tankönyvi tartalomeleme felhasználható az alábbi szakképesítésekhez: A szakképesítés OKJ azonosító száma: A szakképesítés megnevezése 54 523 0 0000 00 00 Elektronikai technikus A szakmai tankönyvi tartalomelem feldolgozásához ajánlott óraszám: 0 óra
A kiadvány az Új Magyarország Fejlesztési Terv TÁMOP 2.2. 08/-2008-0002 A képzés minőségének és tartalmának fejlesztése keretében készült. A projekt az Európai nió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Kiadja a Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet 085 Budapest, Baross u. 52. Telefon: () 20-065, Fax: () 20-063 Felelős kiadó: Nagy László főigazgató